Ερευνητές του ΙΤΕ αποκαλύπτουν έναν νέο μηχανισμό που ρυθμίζει τη διαδικασία της πρωτεϊνοσύνθεσης και τη γήρανση

Πρόσφατη έρευνα στο Ινστιτούτο Μοριακής Βιολογίας & Βιοτεχνολογίας (ΙΜΒΒ) του Ιδρύματος Τεχνολογίας & Έρευνας (ΙΤΕ), τα αποτελέσματα της οποίας δημοσιεύονται στο έγκριτο διεθνές επιστημονικό περιοδικό Cell Reports, αποκαλύπτει έναν νέο μηχανισμό ελέγχου της κυτταρικής διαδικασίας σύνθεσης των πρωτεϊνών (πρωτεϊνοσύνθεση) και της γήρανσης.

Η γήρανση και οι συνοδές της παθολογικές καταστάσεις επηρεάζουν δραματικά την ποιότητα ζωής του  ανθρώπου στις σύγχρονες κοινωνίες. Παρόλο που η γήρανση είναι ένα από τα πιο θεμελιώδη βιολογικά φαινόμενα, το οποίο βιώνουν όλοι οι έμβιοι οργανισμοί, είναι ταυτόχρονα και ένα από τα λιγότερο κατανοητά. Ποιοι μηχανισμοί είναι υπεύθυνοι για τη γήρανση των κυττάρων και κατ επέκταση ολόκληρου του οργανισμού;

Πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι η πρωτεϊνοσύνθεση είναι στενά συνδεδεμένη με τον ρυθμό με τον οποίο το κύτταρο γερνά. Η πρωτεϊνοσύνθεση είναι μια εξαιρετικά ενεργοβόρα διεργασία, η οποία καταναλώνει περίπου το 50% της ενέργειας που παράγεται από το κύτταρο. Ελάττωση της πρωτεϊνοσύνθεσης θα εξοικονομούσε πολύτιμη ενέργεια που θα ήταν πλέον διαθέσιμη για άλλες κυτταρικές διαδικασίες, όπως η επιδιόρθωση βλαβών, αυξάνοντας έτσι την επιβίωση. Παρά τον σημαντικό της ρόλο στη γήρανση, η ρύθμιση της πρωτεϊνοσύνθεσης δεν έχει μέχρι σήμερα διερευνηθεί επαρκώς.

Χρησιμοποιώντας ως πειραματικό σύστημα τον νηματώδη σκώληκα Caenorhabditis elegans, ο Ερευνητής του ΙΜΒΒ Δρ. Matthias Rieckher, (τώρα Ερευνητής στο Cluster of Excellence for Aging Research της Κολωνίας - CECAD) με τους συνεργάτες Δρ. Μαρία Μαρκάκη (Κύρια Ειδική Λειτουργική Επιστήμονας, ΙΜΒΒ), Andrea Princz (ΙΜΒΒ) και Δρ. Bjӧrn Schumacher (καθηγητής της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστήμιου της Κολωνίας και του CECAD), με επικεφαλής τον Δρ. Νεκτάριο Ταβερναράκη (Καθηγητή της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Κρήτης και Πρόεδρο του ΙΤΕ), αποκάλυψαν ένα νέο μηχανισμό ελέγχου της πρωτεϊνοσύνθεσης κατά τη γήρανση.

Οι ερευνητές εστίασαν τη μελέτη τους σε μικροσκοπικές δομές του κυττάρου, γνωστές ως σωμάτια επεξεργασίας (Processing bodies, P bodies), τα οποία  αποθηκεύουν ή αποικοδομούν μόρια αγγελιαφόρου RNA (mRNA). Αυτές οι κυτταροπλασματικές δομές υπάρχουν σε όλα τα κύτταρα και οι λειτουργίες τους φαίνεται να είναι εξελικτικά συντηρημένες σε διάφορους οργανισμούς συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπου.

Τα νέα ευρήματα έδειξαν ότι τα σωμάτια P συσσωρεύονται προοδευτικά στο σώμα του νηματώδη κατά τη γήρανση. Ο παράγοντας έναρξης της μετάφρασης eIF4E, ο οποίος έχει ρόλο κλειδί στη μετάφραση των ευκαρυωτικών mRNA, παγιδεύεται στα σωμάτια P κατά τη γήρανση και σε συνθήκες στρες. Επεμβαίνοντας κατασταλτικά σε παράγοντες των σωματίων P, οι ερευνητές του ΙΜΒΒ κατόρθωσαν να επιμηκύνουν σημαντικά τη διάρκεια ζωής του νηματώδη και να αυξήσουν την αντοχή του στο στρες. Τα ευεργετικά αυτά αποτελέσματα είναι στενά συνδεμένα με την παγίδευση του eIF4E στα σωμάτια P και την επακόλουθη μείωση της πρωτεϊνοσύνθεσης.

Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι ο παράγοντας eIF4E εμφανίζεται αυξημένος σε σοβαρές παθολογικές καταστάσεις (διάφορες μορφές καρκίνου, μεταξύ άλλων). Ο νέος μοριακός μηχανισμός που ανέδειξαν οι ερευνητές του ΙΜΒΒ συμβάλλει στη διατήρηση της ομοιόστασης του κυττάρου και κατ’ επέκταση ολόκληρου του οργανισμού, κρατώντας έτσι τα ηλικιωμένα ζώα υγιή. Επειδή οι ρυθμιστικοί παράγοντες για το μηχανισμό ελέγχου της πρωτεϊνοσύνθεσης  είναι εξαιρετικά όμοιοι ανάμεσα στο νηματώδη και στον άνθρωπο, είναι αναμενόμενο ότι θα υφίσταται η ίδια σχέση με τη γήρανση στους δύο οργανισμούς.

Τα ευρήματα της μελέτης, σύμφωνα με τους ερευνητές του ΙΤΕ, είναι καθοριστικής σημασίας για την έρευνα και την κατανόηση της γήρανσης στον άνθρωπο και αναμένεται να αξιοποιηθούν για την αντιμετώπιση σοβαρών ασθενειών όπως διάφορες μορφές καρκίνου (λέμφωμα, αδενοκαρκίνωμα, καρκίνος του μαστού, λάρυγγα, προστάτη) και νευροεκφυλιστικές παθήσεις (νόσος του Parkinson, νόσος του Alzheimer, νευρομυϊκές ανωμαλίες και πολλές άλλες) με στοχευμένες και εξατομικευμένες θεραπευτικές παρεμβάσεις.

H σχετική δημοσίευση στο περιοδικό Cell Reports (Volume 25, Issue 1, p199-211.E6, October 02, 2018) με τίτλο "Maintenance of Proteostasis by P Body-Mediated Regulation of eIF4E Availability during Aging in Caenorhabditis elegans" είναι ηλεκτρονικά διαθέσιμη στη διεύθυνση: https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(18)31439-6. 

Η έρευνα στο Εργαστήριο του Ν. Ταβερναράκη

Όπως αναφέρεται στον ιστότοπο του Εργαστηρίου του Ν. Ταβερναράκη, οι ερευνητές του ΙΤΕ χρησιμοποιούν τον νηματώδη σκώληκα Caenorhabditis elegans, για να διερευνήσουν τους μοριακούς μηχανισμούς λειτουργίας ή/και δυσλειτουργίας των νευρώνων. Δεδομένης της εξαιρετικής περιγραφής του νευρικού του συστήματος, που αποτελείται από μόλις 302 νευρώνες, ο νηματώδης προσφέρει μια μοναδική πλατφόρμα ιδανική για τέτοιες μελέτες.

Ένα ιδιαίτερο πλεονέκτημα του C. elegans, το οποίο δεν εκτιμάται πάντα αρκετά, είναι η δυνατότητα δημιουργίας βιώσιμων μεταλλαγμένων στελεχών με σοβαρά εξασθενημένη νευρωνική λειτουργία ή εκτεταμένες νευρωνικές απώλειες. Αυτά τα μεταλλαγμένα στελέχη μπορούν να μελετηθούν γενετικά, αυξάνοντας – ενίοτε καταλυτικά- την καταλληλότητα αυτού του οργανισμού-μοντέλου για την παρατήρηση της νευρωνικής ανάπτυξης και λειτουργίας. Οι ερευνητές μπορούν, για παράδειγμα, να εξαλείψουν τους περισσότερους κινητικούς νευρώνες αυτού του οργανισμού (ζώου), κατευθύνοντας ειδικά σε αυτά τα κύτταρα την έκφραση μίας τοξικής πρωτεΐνης. Τα σκουλήκια παραλύουν, αλλά μπορούν ακόμα να αναπτυχθούν και να αναπαραχθούν. Παρόμοιοι κρίσιμοι χειρισμοί συνήθως οδηγούν σε πρώιμη εμβρυϊκή θνησιμότητα σε άλλους οργανισμούς.

Παρά το μινιμαλιστικό νευρικό του σύστημα, ο νηματώδης C. elegans, εμφανίζει μεγάλη ποικιλία αισθητικών ικανοτήτων και συμπεριφορών. Τέτοιο ευρύ φάσμα ευδιάκριτων φαινοτύπων μπορεί να αξιοποιηθεί χρησιμοποιώντας εργαλεία εξελιγμένης γενετικής και μοριακής βιολογίας, που αναπτύχθηκαν για τον νηματώδη, ώστε να διασαφηνιστούν οι μοριακοί μηχανισμοί που διέπουν τις υπέροχες ικανότητες του νευρικού συστήματος.

Πάνω σε αυτά τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά, οι Έλληνες ερευνητές χτίζουν τις μελέτες τους, εστιάζοντας  στους μοριακούς μηχανισμούς του νεκρωτικού κυτταρικού θανάτου κατά τον νευροεκφυλισμό και τη γήρανση, στους μοριακούς μηχανισμούς αισθητικής μεταγωγής και ενσωμάτωσης στο νευρικό σύστημα, στην αλληλεπίδραση μεταξύ κυτταρικού μεταβολισμού και γήρανσης, καθώς και στην ανάπτυξη νέων γενετικών εργαλείων για την έρευνα του C. elegans.